黄河下游悬河段傍河开采地下水的试验研究.pdf

黄河下游悬河段傍河开采地下水的试验研究 以郑州市区黄河滩地为例 廖资生 ’ ， 林学t r 1 .2 ， 石 钦 周 ， ， 马英 杰 ， I . 吉林大学，吉林长春1 3 0 0 2 6 ; 2 _ 北京师范大学， 北京1 0 0 8 7 5 ; 3河南地质工程勘察院， 河南 郑州 4 5 0 0 5 3 摘要黄河下游频频出现的断流现象给沿岸城市的供水造成严重威胁，本文根据近年在郑州市北郊 黄河滩地供水水文地质勘探中，几组大型抽水试脸所获得的地质信息，论证了傍河地带的地下水资 源潜力;细颗拉含水地层中的成井 技术;傍河开采地下水可能诱发的水环境和地质环境问题。文章 的结论是黄河下游沿岸地带，地下水资源十分丰富，大规模开采傍河地带的地下水所诱发的环境 负效应十分有限，具有建立傍河地下水源地的优越条件。 关 铂词 黄河下游段;份河开采地下水;井组抽水试验;成井工艺;大堤稳定性 巾国 分 份 易P 6 4 1 . 8女傲 坛 设 码A A b s tr a ct T h e w a t e r d ry i n g u p o c c u r r e d f re q u e n t l y i n t h e d o w n s t re a m o f Y e l l o w R i v e r w h i c h s e v e re l y t h r e a t e n e d t h e s a f e ty o f w a t e r s u p p l y f o r c i t i e s a l o n g t h e r i v e r . B a s e d o n s e v e r a l l a r g e - s c a l e g r o u n d w a t e r p u m p i n g t e s t s t h a t c o n d u c t e d i n t h e r e c e n t h y d r o g e o l o g ic e x p l o r a t i o n i n t h e n o rt h s u b u r b o f Z h e n g z h o u c i t y , t h e p o t e n t i a l o f g ro u n d - w a t e r re s o u r c e s a l o n e t h e r i v e r s i d e s , t h e c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e f o r t h e w a t e r w e ll s i n t h e a q u i f e r w i t h f i n e g ra i n s a n d a n d t h e p o s s i b l e g e o l o g i c e n v i ro n m e n t a l p ro b l e m s i n d u c e d场 t h e w a t e r m i n i n g a re e v a l u a t e d . T h e re s u l t s s h o w t h a t t h e g ro u n d w a t e r i s v e ry r i c h a l o n g t h e d o w n s t re a m o f Y e l l o w R i v e r a n d t h a t t h e e n v i ro n m e n t a l s i d e e f - f e c t s c a u s e d 饰h e a v i l y g ro u n d w a t e r m i n i n g i n t h e r i v e r s i d e s ， n o t s e r i o u s . S o i t h a s a d v a n c e d c o n d i t i o n s t o s e t s i t e s f o r g ro u n d w a t e r m i n i n g i n t h e r i v e r s i d e s K e y w o r d s ; d o w n s t re a m s e c t i o n o f Y e l l o w R i v e r ; g ro u n d w a t e r m i n i n g i n r i v e r s i d e s ; p u m p i n g t e s t w i t h g ro u p w e l l s ; t e c h n i q u e f o r w e l l c o n s t ru c t io n ; s t a b i l i t y o f d a m 黄河是世界上泥沙含量最大的河流，而在郑州 以下河段又是举世闻名的地上悬河。由于河床高出 两岸平原区，自 古以来人们习惯于自流引水的供水 方式。自2 0 世纪7 0年代以来，随着沿岸地区用水 量的迅速增加和多年降水周期中枯水年频率的加 大、中上游河段来水量的减少，导致黄河下游频频 出现断流现象。与此同时，河水水质亦不断恶化。 面对日益严竣的供水形势，人们不得不考虑开发沿 岸地带地下水以减少对黄河水的 依赖性〔 1 .2 .4 1 本文将根据于2 0 世纪9 0 年代期间，郑州地质 工程勘察院在郑州市北郊黄河滩地所进行的供水水 文地质勘察。特别是4组大型抽水试验所获得的宝 贵资料来探讨开发沿岸地带地下水的问题。 多年平均蒸发量为 1 8 2 2 . 9 m m ，为年降水量的2 . 8 4 倍。 黄河自 西部高原流人平原后，因流速骤减，所 携带的泥沙大量淤积，致使河床不断抬高，形成高 出两岸平原 3 一l o m的地上悬河。黄河流经花园口 断面的多年平均流量为1 4 4 7 时/ ， ，年平均最小流量 为7 6 4 . 2 m r / s 。多年平均含砂量为2 7 . 8 k g l 耐。抽水 试验段的黄河水位高程为9 0 . 9 4 一 9 3 . 9 0 m o 本区在古新世至中更新世早期是古华北湖的西 缘，沉积有千余米厚的砂、泥质，现已呈微固结岩 石。自中更新世后期，黄河从西部高原流人华北 湖，至此本区开始了冲积扇的发育过程。现在的黄 1 自然环境及水文地质概况 研究试验区位于黄河进人华北平原后的现代黄 河冲积扇的中上部 图 1 。区内气候属于温带半千 早大 陆 性 季 风 气 候 型。多 年 平 均 降 水 量 为 6 4 0 . 2 . m ,降水量的4 6 集中于年内的7 - 8 月份。 2 0工租勘察G e o t e c h n i c u l l n v e s h g n l i o n 高等学校博士点学科专项研究基 金资助项目 2 0 0 0 0 0 2 7 1 2 . 作者简介 廖资生 1 9 3 6 一 ，男 汉族 ，重庆荣昌人， 博 士生导师，教授 2 0 0 4年第 3期 万方数据 区北郊的黄河滩地进行了供水水文地质勘察工作② ， 在西起邝山脚下，东至中牟县界的4 0 k m黄河南岸 滩地上，布置了4 组大型抽水试验工程 图2 。抽 水试验井组的布置方案和主要技术指标详见表 t o 抽水试验主要技术要求如下 1 为查明河水与地下水的水力联系和河水对 地下水的补给量，抽水井组尽量靠近黄河岸边布 置，并同时采用井组 每组3眼水井方式进行大 流量、大降深的抽水，以保证抽水时水位降落漏斗 能扩展到黄河水边线 二 习1巨 }2 .3 .4 .5 巨 三 困6 . 7 【 刃 “. 9 1 . 山区;2山慈一 平原分界线3中更新世晚期冲积扇; 4 . 晚更新世时期冲积扇;5 . 全新世时期冲积翻;6 . 省界; 7 . 现代黄何及流向‘8 城市9 傍河取水试验区 图1 黄河冲积扇 粗粒相带 演化示意 河冲积扇是中更新世后期、晚更新世和全新世3 个 时期冲积扇的复合体 图 1 。冲积物总厚度约 2 0 0 m多。其中以晚更新世的冲积扇规模最大。中、 粗砂沉积物一直分布到今日的淮阳、长垣、太康一 带，沉积物厚达6 0 m多，地层含砂比大于6 0 ，构 成区内最主要的含水层① 。 2 抽水试验的工程布I 为了研究地上悬河段傍河开采地下水的可行 性，1 9 9 1 年和1 9 9 4 年一 1 9 9 5 年先后2 次在郑州市 E夏习】【 诬 团 【 二」 7 Eg口 卿 幽m 甲 L E i R， 盔 巧 习 6 【 石」 1 l . 黄河河床及河心沙滩;2 . 铁路;3 高速公路;4 . 黄河大桥; 5 . 黄河防洪大堤卜 6 . 郑州市街区; 7 . 市县界限;8 . 集镇;9傍 河水源地 〔 ①一 九五滩地水姗地，② 一 北郊水源地 1 0孔组 抽水试验场地 A 一九五滩地，B -凌庄滩地 ;I 干扰抽水试 脸场地 C 一石桥,D一 黄岗庙 图2 交通位里及抽水试验并组位置 试验数据 抽水井组位置 九五滩地水撅地 北郊水源地 凌庄滩地黄岗庙 石桥 抽水试验类型 抽水井数目 抽水井布T形式 抽水井组中心距黄河距离 水位观侧孔数目 。 抽水试验日 期 年、月、日 抽水水位降深次数 井组抽水m 3 等边三角形， 边长 1 5 . 1 3 0 0 . 3 0 1 9 9 0 . 4 . 1 9 - 5 . 1 0 枯水期 2 井组抽水。 3 等边三角形 边长 1 2 . 喇幻口 41 1 9 9 4 . 7. 2 -7 . 2 6 丰水期 2 井 组 干 扰 抽 水 ② 3 等腰二角形， 底边长5 0 0 .，中线 1 2 0 0 . 1 3 0 0 0 . 7 5 1 9 9 4 . 1 2 . 8一1 2 . 2 8 平水期 3 井 组 干 扰 抽 水 ⑦ 3 等腰三角形， 底边长3 1 6 . ，中线5 0 0 . 9 0 0 . 7 1 1 9 9 5 . 3 . 2 8 -4 . 1 8 枯水期 3 注①由井间距离极小的数眼井 相当1 眼大直径水井同时进行抽水;②井间距离较大但抽水时水位又相互干扰的数眼抽水井;③水 位观测孔大部分利用已有的开采井 ①河南省地质矿产局水文地质工程地质一队 ②河南省郑州地质工程勘察院 郑州市黄河 供水水文地质勘察报告 1 9 9 5 年8月 2 0 0 4年 第 3期 河南平原第四纪地质研究报告 1 9 8 6 年 “ 九五”滩地供水水文地质勘探及傍河取水实验报告 1 9 9 0年 1 0月和郑州北郊水源地 工程劫察G e o t e c h n i c a l I n v e s t ig a t io n 奋S u rv e y i n g 2 1 万方数据 2 为确定水位降深和涌水量的关系，均按z 一 3 个水位降深阶段进行稳定流的抽水试验。为确 定河水水位变化对地下水补给的影响，将 4组抽水 试验分别安排在枯、平 、丰水期进行。 3 为掌握抽水试验过程中地下水流场的时空 变化规律，并预测评价未来取水条件下对防洪大堤 和环境的影响，除布置垂直河流的水位主观测线 外 ，并尽可能多的利用现有开采井进行水位观测。 3 勘探和抽水试验所查明的主要水文地质问题 3 . 1 含水层的埋藏分布特征及富水性 经钻孔揭露，本区在地面以下 3 5 0 m深度内， 分布有3 个含水层组 图3 。上部 1 2 一 2 3 m深度为 潜水，由黄河全新统 Q . 的粉细砂、粉土和淤泥 层组成，水位埋深 1 一3 m，富水性微弱，单并出水 量 “ 1 水砂层厚度由近河地带的3 0 一 5 0 m，向两岸逐渐递 减为 3一1 5 m 。含水层富水性极佳 ，是傍河取水的 主要含水层。该含水层与上部潜水含水层之间无稳 定隔水层，两者有一定水力联系。该含水层之下， 有厚度2 0 - 3 0 .由粘性土组成的稳定隔水层，将其 下的中深层承压水与之相分隔。中深层承压水，埋 藏深度在 8 0 - 3 5 0 m之间，由中更新统到上第三系 Q z N 各类半胶结的砂泥质岩石组成。 含水层有7 一 1 0 层，累计厚度 6 0一l o o m 。富水性极不均匀， 单井出水量由。 “ 1 0 0 时/ h 到2 0 0 1 一 3 0 0 0 耐/ h 不等。 因和上、下含水层缺少水力联系，补给条件不佳， 地下水资源以贮存量为主，不宜作为傍河取水的主 要含水层。此外，在 3 5 0 m深度之下的第三系岩层 中， 还普遍赋存有低温地下热水 2 5 一 6 5 C o 本文所述的4组大型抽水试验均是在上更新统 微承压含水层中进行的，从抽水井的出水量可知 表2 ，该含水层的富水性极好，在井间干扰的情 况下. 单井出水量可达5 4 0 0 一 9 0 0 0 时/ d o 1砂、砂砾石含水层 6 . 全新世黄河冲积层 z . 隔水层 弱进水层及区城性隔水层3 . 中深层地下水水位d 留 ; 7晚更新世冲积层 Q i 和山前洪积一 冲积层 〔 Q ; ， 一 ， ; 8 . 钻孔 井 ; 5不整合地层界线及岩性分界线 中更新世冲积一 湖积层 Q 0“ - 和山前冲积一 洪积 层 Q ;内; 9 . 早更新世冲积一 湖积层 Q ; 一 l 和山前冲积 洪积层 ml - , l ; 1 0 . 上第三系 N 砂岩、 泥岩; 1 1 . 下第三系砂岩、 泥岩 图3 黄河南岸 〔 郑州段水文地质剖面 抽水试脸水井 出水，衰 2 抽水场地抽水试验类型 最大水位降深 m 井组 出水t 时I d 平均单井出水量 衬/ d 单井最大出水互 m 3 / d 抽水井孔径和管径 n u 口 九五滩地水源地引 卜 组抽刘 K1 2 . 5 6 1 。一}， 8 6 3 2别7 1 / 6 0 0 北郊 水源地 凌庄滩地引卜 组抽刘k1 5 . 5 2 1 5 3 2 . 一} 7 今阳. 4 1 0比/ 口 0 黄岗庙 井组干找抽水 1 5 . 5 4 2 6 7 4 7 . 3一}8 9 1 5 7 6 9 1 1 1 . 1 2 1 5 . 2 6- 2 1 . 1 4 2 ， 1 2 .，一}8 0 5 4 8 5 2 7. 4 4石桥 3 . 2 河水与岸边地下水的水力联 系 河水 与 岸边地下水之间水力联系极为密切，可 以从以下几个方面得到证实 1 井组抽水试验开始后，抽水水位降落漏斗 均迅速地 向河流方 向扩展，并很快扩展到黄河边 岸，而后在大量黄河水侧向渗透补给的情况下，降 落漏斗水位很快地进人稳定状态。当抽水试验停止 后，傍河地带的地下水位又很快地恢复到抽水前的 天然状态 表3 a 2 抽水试验期间，岸边地下水位明显的随着 2 2工租勘察G e o l e c h n k a l l n v e a 均 ra d o n 而在抽水井组背离河岸的下游一侧，明显地存 在着地下水的 分水岭， 因 此该方向 上的补给 极微。 抽水试验特征水位动态襄3 } }k 井组中心 距黄河距 离 抽水试验开始 后 ，河岸观测 孔中水位开始 下降时间 抽水水位降 落诵斗进人 稳定状态时 间 抽水试验停 止后 ，地下水 位恢复到天然 状态时间 凌庄滩地 石桥 九五滩地 黄岗庙 4 以} . 9 0 0 . 1 3 0 0 . 3 0侧 m l o i n 6 h 4 卜 I S h 2 4 h 2 0 h 7 2 h 2 4 h 4 6 h 4 9. 5 h 3 . 3 近岸地带的水循环方式 根据抽水试验前和进行时的河水和分层地下水 位观测资料可知，在近岸地带普遍存在黄河水位高 于潜水水位、潜水水位又高于其下浅层微承压水水 位的现象 表4 。表4中3 种水体之间水头差的大 小主要决定于各含水层之间隔水层的性能和各含水 层的现状开采强度。当某一含水层取水量越大时， 其水头就越低，和相邻非开采含水层之间的水头差 就越大 图6 0 抽水试验前黄河水位和地下水分层水位表4 抽水试验场地 黄河水位 m 潜水水位 m 浅层徽承压水水位 m 凌庄滩地 石桥 黄岗庙 9 12 9 9 1 . 2 5 8 8 . 5 0 91 . 0 5 8 8. 2 9 8 6 . 5 0 9 0 . 7 0 8 6. 6 5 8 6. 0 0 、一、_沪产 尹尹、一、、 ‘ 一 、 一 沪 - ;Ut}R4 A C 1 4 孔距河岸 巧 . 伪 孔压周I Y 月 翻.二 1 9 7 0 抽水井姐中心距问岸1 3 0 0 . - J，，，，，占 叫 月 .月 一盛一 T L 9 3 J 4 械回洲则卿沙 25 日 图4“ 九五滩地”并组抽水期间黄河水位与 地下水位动态曲线 以上事实充分说明，傍河地带无论是在天然或 未来开采状况下，河水向地下水补给是以三维流的 运动方式进行的，各含水层之间则表现为从上而下 的越流补给关系。可以预测，当未来区内大规模开 采深部承压水时，各层水位之间的水头差值将进一 步增大，黄河水对潜水、潜水对承压水的越流补给 量都将大大增加， 这对扩大傍河水源地的开采资源 量极为有利。 . -1 lgun 10.{ 九五月姗比「 孔姐油水试.盆二月 翻抽水 5 肠〕凌庄.地 孔殷怕术区.如落犯抽水 1 9 肠 〔 互] ，、巨二 * 并根据 建筑抗震设计规范 G B J l 1 - 8 8 , 岩土工程地质勘察规范 G B 5 0 0 2 1 - 9 4 推荐的方法，判定本区在1 1 度地震烈度条件下 砂土和粉土具有发生中等一严重液化的可能性。在 未来取水条件下，由于地下水位降低，发生砂土液 化的可能性将会减小，但在兴建傍河水源地时，仍 必须对泵房基础采取稳定加固措施。 河地下水源地的建立，也存在着削减了下游黄河的 逞流量以及危及防洪大堤稳定性等不利因素，但是 理论计算和 “ 九五”滩地与 “ 北郊”2个地下水源 地已投产运行多年的实践表明，其不利因素的影响 甚微。因此，权衡利弊，纵观全局，建立傍河地下 水源地乃是今后解决黄河下游沿岸城市供水水源的 最佳途径之一。 今考文献 6 结论 刘昌明，陈志恺主编.中国水资源现状评价和供豁发展趋势 分析. 北京中国水利水电出版社， 2 0 0 1 . 1 2 5 , 1 2 , 6 3 , 9 4. 秦毅苏，朱延华，曹树林等黄河流域地下水资源合理利用. 郑州黄河水利出版社，1 9 9 8 . 7 1 . 5 , 1 0 4 一 1 0 6 . 邵景力，崔亚莉，赵云章等.黄河下游影响带 河南段三 维地下水流数值棋拟摸型及其应用.吉林大学学报 地球科 学版 ， 2 0 0 3 , 1 5 1 一 5 5 . 林学钮，廖资生黄河下游傍河开采地下水的研究吉林大 学学报 地球科学版 ， 2 0 0 3 . 4 4 9 5 一 5 0 2 天津大学.土力学与地基北京人民交通出版社，1 9 8 6 7 3 冈[5] 通过傍河抽水试验证明，在黄河下游的傍河地 区，地下S O m深度内存在着富水性很好的古黄河冲 积含水砂层， 单井出水量可达5 0 0 1〕 一 ， J O O . / d 。地 上悬河的黄河水在天然条件下就以三维流越流形式 补给开采含水层，在未来大规模取水条件下，河水 对地下水的补给量将大大增加，因此本区内地下水 的开采资源极为丰富。已往细颗粒含水地层中难于 成井的问题，已在技术上得到解决。因此，本区已 具备建 立大型傍河地下水源地的优越条件。当然傍 2 砚日年第 3期工程勘察G e o t e c l u e i c a l I n v e s f ig a d u n S u rv e y i n g 2 7 万方数据